Mi is az az ETCS? OLASZ PÉTER. Nokia Networks

Átírás

1 INFOKOM 2014 Mi is az az ETCS? OLASZ PÉTER Nokia Networks Kulcsszavak: GSM-R, ETCS, ERTMS, vasúti biztosítóberendezés A GSM-R hálózatokon használt legfôbb alkalmazás a biztosítóberendezések egyik modern, szabványosított technológiája, az ETCS ez a két rendszer annyira összenôtt, hogy együttesük külön nevet is kapott: ERTMS. Telekommunikációs szakemberek szempontjából a legfontosabb a két rendszer közötti felületek egyértelmû definíciója, az ETCS által a GSM-R-el szemben megfogalmazott követelmények teljesítése. Mégis, a puszta technikai tényeken felül érdekes lenne tudni, miért is kell az ETCShez a GSM-R, hogyan mûködik ez a korszerû biztosítóberendezés rendszer, milyen alkalmazási szintjei vannak, mit lehet vele megvalósítani a páneurópai, nagy járatsûrûségû vasúti rendszerben. 1. Bevezetés A cikk alapszintû bevezetést nyújt a távközléssel foglalkozók számára a vasúti biztosítóberendezések egyik speciális, a GSM-R technológiával együtt használt típusába, az ETCS-be. Nem törekszem a vasúti automatizálás teljes bemutatására, inkább kitekintô jelleggel ismertetem a híradástechnikusok számára határterületnek számító technológiát. Az ETCS nomenklatúrája és struktúrája után annak a GSM-R-hez való kapcsolódása, minôsítése, majd a mindennapi használat elônyei kerülnek ismertetésre. 2. A biztosítóberendezések taxonómiája A vasúti közlekedés biztonságos és gazdaságos üzemeltetésének alapfeltétele egy olyan rendszer, mely az emberi tényezôk minél nagyobb kizárásával befolyásolja a vonatok közlekedtetését, kizárja a balesetekhez vezetô humán hibákat. A vasúti közlekedés kialakulása, fejlôdése során sokféle biztosítóberendés és rendszer jött létre. Ezek kezdetben kevéssé kerültek harmonizáltan szabványosításra, távközlési analógiával élve az analóg telefóniához lehetne hasonlítani ôket: hiába csak egy érpár, de országonként eltérô impedancia, eltérô fizikai csatlakozófelület, eltérô vonali jelek/jelzések uralkodnak. Jelen cikkben a modern, önmûködô berendezések egyikével, az Európai Vonatbefolyásoló Rendszerrel, azaz European Train Control System (ETCS)-el foglalkozunk. Ez az ún. automatikus vonatbefolyásoló rendszer kezdetben az európai átjárhatósági törekvések érdekében jött létre, mára azonban a világ majdnem összes kontinensén használatos, kvázi világszabvánnyá nôtte ki magát. Mûködéséhez szükség van a GSM vasúti verziójára, a GSM for Railway (GSM-R) rendszerre, mely a folyamatos, vezeték nélküli hang- és adatkommunikációt valósítja meg a vonatbefolyásolással párhuzamosan és azzal együttmûködve. A két rendszer együttese alkotja az Európai Vasúti Közlekedés Irányító Rendszert, a European Rail Traffic Management System-et, azaz ETCS + GSM-R = ERTMS. (Az átjárhatósághoz természetesen szükség van még egyéb harmonizált komponensekre is mint pl. egyezô vontatási feszültség, kompatibilis nyomtáv, hogy akadálytalanul utazhassunk például Hamburgtól a Boszporuszig, de híradástechnikai vonatkozás hiányában ezek tárgyalásától most eltekintünk.) Az ETCS rendszer különbözô szinteken valósítható meg, melyek aszerint kategorizálhatók, hogy az adott megvalósítás milyen funkcionalitással bír, mekkora a pálya menti kiépítettsége, illetve milyen mértékben képes beavatkozni a rendszer a vonat vezetôjének feladatába, döntéseibe. Ezeket a szinteket általában az ETCS Level x (röviden Lx) elnevezéssel jelölik, ahol x az adott szintre utal. ETCS L0: ebben az esetben egy ETCS-el ellátott jármû olyan pályán közlekedik, amelynek mentén nem került ETCS kiépítésre (így nincs is interakció a pályamenti berendezések és a fedélzeti ETCS között). A GSM-R rendszer (ha telepítve van) hanghívásokra használható. ETCS L STM: mint a L0, de a pálya menti nem-etcs rendszer illesztésre került a jármû ETCS rendszeréhez, azaz a fedélzeti berendezés mégis megkapja a külsô információkat. A GSM-R rendszer (ha telepítve van) hanghívásokra használható. ETCS L1: a pálya mentén telepített ETCS rendszerrel a jármû csak pontszerû kapcsolatban van, a sínek közé telepített ún. balízokon, jeladó antennákon keresztül. A GSM-R rendszeren bonyolódnak a hanghívások. ETCS L2: a L1-hez képesti többlet, hogy a jármû a GSM-R rendszeren keresztül folyamatos adatkapcso- HTE INFOKOM 2014 LXIX. ÉVFOLYAM,

2 HÍRADÁSTECHNIKA latban van a pálya menti rendszerrel, azaz a fedélzeti számítógép mindig aktuális információkkal rendelkezik a vasúti környezetrôl. Természetesen ezen felül a GSM-R rendszer hanghívásokra is használható. ETCS L3: mint a L2, de a térközök az egyes jármûvekhez kötôdve dinamikusan változnak, illetve a vonatintegritás tekintetében maga a jármû játszik fontos szerepet, nincs külsô érzékelôkre utalva. ETCS Regional / LC: mint L3, de annál sokkal alacsonyabb megvalósítási költséggel (LC=Low Cost), kifejezetten kis vasúti hálózatokra tervezve (nem országos, hanem regionális megvalósítással). Általánosságban elmondható, hogy jelenleg a L2 a legelterjedtebb, legdinamikusabban épülô megvalósítási forma, így a továbbiakban ezzel foglalkozunk. 3. Az ETCS L2 komponensei Az ETCS L2 rendszer elemeit alapvetôen két szegmensre bonthatjuk: a pálya menti és a jármûvön elhelyezkedôre. Ezeket az 1. ábrán láthatjuk. A pálya menti érzékelôk (mint pl. tengelyszámláló), visszajelzôk, jeladók, balízok az ún. Rádiós Blokk Központtal, a Radio Block Center (RBC)-vel állnak kapcsolatban. Az RBC egy adott pályaszakasz hosszon (tipikusan km) kezeli az összes ilyen elemet, és minden pályamenti információ gyûjtôhelye. A jármû fedélzetén lévô ETCS berendezés lényegében egy olyan számítógép, mely a szerelvény automatikus közlekedéséhez szükséges paramétereket (menesztés, gyorsítási profil, fékezés) a számára rendelkezésre álló fedélzeti és pályamenti adatokból kiszámítja. Afedélzeti berendezés és az RBC folyamatos adatkapcsolatát az ERTMS esetében a GSM-R rendszer biztosítja. A GSM-R rendszer felépítése egy szokványos 2G mobilhálózaténak felel meg, azaz MSC (kapcsolóközpont), BSC (bázisállomás vezérlô), BTS (bázisállomás) és rádiós terminál, jelen esetben speciális nevén mozdonyrádió az alkotóelemei. A mozdonyrádió egy, a vontatójármûbe fixen beépített rádió, mely a jármû tetejére kivezetett antennákkal rendelkezik, adóteljesítménye pedig szabványosan 8 W. A beszédcélú mozdonyrádió humán kezelôfelülettel bír, míg az ETCS rádió mûködésébe a vonat vezetôje nem tud beavatkozni, az lényegében egy M2M alkalmazás részeként üzemel. Az ETCS rádió két rádiós modult is tartalmaz az RBC handover lebonyolításához, mindaddig nem lehet lebontani az aktuális RBC-vel fennálló adatkapcsolatot, míg a következôre be nem jelentkezett a jármû. 4. ETCS L2-GSM-R kapcsolódási felületek Az ERTMS rendszer folyamatos adatátvitelét a szabvány jelenlegi verziója szerint egy transzparens, vonalkapcsolt adathívás biztosítja a vonaton elhelyezkedô speciális mozdonyrádió, a csak ETCS-célú adatrádió, ETCS Data Only Radio (EDOR) valamint a kapcsolóközponthoz (MSC) kapcsolódó RBC között. Ebbôl a rendszerfelépítésbôl adódnak a jól definiálható interfész felületek is: az EDOR és a fedélzeti ETCS berendezés közötti soros csatoló (tipikusan RS485 vonal) valamint az MSC- RBC csatoló (tipikusan E1, ISDN primer). Az ERTMS követelmények ezeken a referencia felületeken (2. ábra) mérik a GSM-R rendszer által biztosított átvitel minôségét. 1. ábra ETCS építôelemek 54 HTE INFOKOM 2014 LXIX. ÉVFOLYAM, 2014

3 Mi is az az ETCS? 2. ábra ETCS L2 és GSM-R kapcsolódási felületek (Megjegyzendô, hogy a jövôben a szabvány következô verziójában új átviteli módként az ETCS GPRS-en keresztül, ETCS over GPRS (EoG) jelenik majd meg, ezáltal változni fog a kapcsolódási felületek központi oldala, hiszen az RBC többé nem az MSC-hez, hanem a csomagkapcsolt átjáróhoz, azaz a GGSN-hez fog kapcsolódni.) A definiált kapcsolódási felületek között a GSM-R hálózat ideálisan sötét csôként viselkedik a transzparens átviteli mód miatt, a valóságban azonban ez a csô igen képlékeny a több részbôl álló átviteli út miatt. Ahogy a 2. ábrán jobbról balra haladva megfigyelhetô, elôször a rádiós hálózat labilitásával kell számolni, melyre az EIRENE szabványok ugyan szoros lefedettségi követelményt fogalmaznak ugyan meg, a jármû sebessége, a bázisállomástól való távolság változása, a fading-bôl adódó térerô-ingadozás, az egyes bázisállomások közötti handoverek nagyban befolyásolják az átvitelt. A GSM-R hálózat elemei közötti átviteli utak (melyeket megvalósíthat SDH/TDM vagy IP/MPLS hálózat is) sem egyetlen node-ból állnak, a vasúti mûködés más szegmenseinek mûködésébôl adódó egyéb forgalom is hatással lehet az ERTMS jelátvitelre. 5. ETCS L2 indikátorok Hogy a fent definiált változó jellemzôk ellenére az átviteli út minôsége bizonyossággal mérhetô legyen, az ERTMS szabványok, ajánlások között kettô is foglalkozik a szolgáltatás minôségére vonatkozó KPI-okkal. A UNISIG Subset 093 mondja meg, mit kell mérnünk, míg az O-2475 azt is elárulja, hogyan. A kapcsolati sebesség nem nagy, a 2G-ben szokásos 2,4 / 4,8 / 9,6 kb/s vivôszolgáltatások megléte a megkövetelt. Az ehhez kapcsolódó jellemzôket az 1. táblázat foglalja össze. A tesztelésrôl szóló dokumentum a tesztkörnyezet, a referencia architektúra definiálása mellett iránymutatást ad a mérések lebonyolításához, a használandó eszközökhöz, példákkal szolgál a jelfolyamokra, végül a kiértékelésre, a statisztikák felállítására is kitér. Fentiekbôl következik, hogy a mérések végrehajtásához végponttól végpontig terjedô, úgynevezett endto-end tesztelési környezetre van szükség, ahol egy teljes GSM-R hálózat felépíthetô laboratóriumi körülmények között, hogy a mérés reprodukálható legyen a különféle valós hálózatok topológiáját, berendezés állományát mégis legjobban megközelítve. A Nokia Networks budapesti Technológiai Központja kivételes helyzetben van ezen a téren. Itt zajlik ugyanis a GSM-R hálózatok modern, Rel4 architektúrájú (MSS+ MGW felépítésû) kapcsolóközpontjának fejlesztése, emiatt több átfogó tesztkörnyezet is kialakításra került különféle célokkal, így például elkülöníthetô a funkcionális tesztelés és a redundancia mechanizmusok kipróbálása. A Rendszer Ellenôrzési laboratórium két különbözô tesztkörnyezete a 3. ábrán tekinthetô meg. 1. táblázat ETCS QoS kívánalmak HTE INFOKOM 2014 LXIX. ÉVFOLYAM,

4 HÍRADÁSTECHNIKA Nemzetközi, éles ETCS L2 projektekben szerzett tapasztalataink szerint az egyik legkényesebb pont az EDOR készülékek rádiós moduljainak mûködése, ennek megfelelôen a budapesti labor több rádiós bázisállomással bír a hívástesztek lefolytatásához. A TEN-T program keretében történô, GSM-R infrastruktúra vendorok közti átjárhatóságot biztosító Interoperabilitási Tesztek (IOT) aktuális fázisa is ebben a laboratóriumban zajlik, várhatóan 2015 elsô negyedévi befejezéssel. 6. ETCS L2 alkalmazási elônyök Az ETCS L2 alapvetô célja a vasúti közlekedés biztonságának szavatolása, felhasználhatósága azonban ezen a célon jóval túlmutat, az alábbiakban vázoltak miatt. 3. ábra Nokia System Verification tesztkörnyezetek Az ETCS L2 telepítésével a biztosítóberendezési hálózat egyszerûsödik, a különféle célú (külön állomási és külön vonali) szegmensek helyett egyetlen homogén rendszert lehet használni. Hasonlóképpen igaz mindez a távközlési hálózatra is a GSM-R hálózat kiépítése miatt: átfogóan képes leváltani a szeparált, szigetszerû rádiós hálózatokat (pl. tolatókörzeti és vonali). A homogén, egyazon technológiából felépülô hálózatok karbantartási igénye kisebb, kevesebb típusú alkatrészt kell raktáron tartani, logisztikázni, a szervízszemélyzet kevesebb tréningben kell részesüljön egyszóval, hosszú távon az OPEX jelentôsen csökken, kedvezôbb a TCO. Mivel a rendszer részeként települô távközlési hálózat univerzális célú, több funkcióban is kihasználható a hálózat megfelelô kapacitás méretezés és az úgynevezett mission critical alkalmazások elkülönítése mellett. A teljesen önmûködô biztosítóberendezés a humán hiba kiküszöbölésével magasabb biztonsági szintet valósít meg, amely a balesetek megelôzésével nemcsak anyagi, nemzetgazdasági megtakarításhoz vezet, hanem emberéleteket óv meg. Az ETCS L2 alkalmazása nagyobb vonatsûrûséget tesz lehetôvé egy adott vonalszakaszra vonatkoztatva, hiszen kisebb térközökkel, precízebb menetrenddel közlekedtethetôk. Ez jótékony hatással van úgy a személy- mind a teherforgalomra, ráadásul a vasút komoly értéket képviselô állóeszköz-állományának holtidejét is csökkenti azok jobb kihasználtságával. A 4. ábrán látható összehasonlító diagramból egyértelmûen látszik, hogy elsôsorban a nagysebességû vasúti közlekedés esetében egy optimalizált térközû ETCS L2 rendszer 150%-ra növeli a kapacitást a L1 rendszerhez képest. Az ETCS L2 esetében csökken a pályamenti berendezések száma, részint a kevesebb érzékelô, sínhurok és balíz, részint pedig a többé nem szükséges vizuális jelzôk miatt. Az ERTMS mindkét komponensének szabványosítása több elônnyel is jár: egyrészt biztosított mindkét szegmens számára az átjárhatóság a különbözô országok va- 56 HTE INFOKOM 2014 LXIX. ÉVFOLYAM, 2014

5 Mi is az az ETCS? 7. Összefoglalás Az ETCS L2 olyan érdekes M2M alkalmazása a több évtizede bevált 2G mobilhálózatoknak, mely összehozza a vasúti és távközlési technológiákat. Segítségével a biztonságos mellett gazdaságos vasúti közlekedés érhetô el, jövôbiztos megvalósítással. A cikk igyekezett rávilágítani az ERTMS két alkotóelemének, az ETCS-nek és a GSM-R-nek szimbiózisára, a távközlési mérnökök számára betekintést adni egy másik világba, mely legalább olyan bonyolult mint a telekommunikáció. 4. ábra Vonali kapacitás nagy sebesség esetén A szerzôrôl OLASZ PÉTER a BME Villamosmérnöki Kar elvégzése után tôl radartechnikára szakosodván töltött még 4 évet a Mikrohullámú Hiradástechnika tanszéken doktoranduszként / tanársegédként, majd 1999-tôl a Siemens Mobile-nál a mobilkészülékek, GSM-modulok, zsinórnélküli és ISDN telefonok mûszaki termékmenedzsereként folytatta pályafutását. Késôbb mindhárom mobil hálózatüzemeltetô értékesítôit segítette mûszaki támogatóként, 2005 óta pedig a GSM-R megoldások vevôi követelményekre szabásáért felel hazánkon kívül több országban is óta az európai szakértô teamet is vezeti. 5. ábra Átlagos járatkésés Svájcban súti hálózatában (vagy akár a heterogén hálózattal rendelkezô országok különbözô vendoroktól származó részei között); másrészt pedig az egymással csereszabatos berendezések nyílt piaci versenyt eredményeznek, a vasúttársaságok elôtt nyitva áll a választási lehetôség a beszállítók között. Mindezek összessége vezet ahhoz, hogy az ETCS L2 rendszer magasabb mûködési teljesítmény elérését teszi lehetôvé ehhez viszonyítottan alacsonyabb mûködési költséggel (a CAPEX tekintetében azonban több pénzt igényel egy konvencionális rendszernél). Mindez természetesen kevésbé hatja meg az utazóközönséget, nekik is jut azonban olyan statisztikai mutató, mely bizonyítja, az adófizetôi pénzek elköltésének hatékony módja az ERTMS hálózat építése. Az 5. ábrán az SBB hálózatában tapasztalható változás olvasható le, az ETCS L2 bevezetésével, a kezdeti gyermekbetegségek kiküszöbölésével egyenes arányban nôtt meg a járatok pontossága is. Irodalom [1] UIC EIRENE FRS Functional Requirement Specification [2] UIC EIRENE SRS System Requirement Specification [3] UNISIG Subset 093 GSM-R Interfaces Class 1 requirements [4] UIC O-2475 ERTMS/GSM-R Quality of Service Test Specification [5] Nokia, Networks GSM-R prezentációs anyagok HTE INFOKOM 2014 LXIX. ÉVFOLYAM,